Vaba elektroni kvantpõimumise footoniga on saavutanud Saksamaa ja Šveitsi teadlased. Meeskond eesotsas Armin Feist Max Plancki multidistsiplinaarsete teaduste instituudis saavutas selle saavutuse uue eksperimentaalse seadistuse abil, mis ühendab fotoonika ja elektronmikroskoopia elemente.
Põimumine kvantmehaanikas toimub siis, kui kahte või enamat osakest kirjeldatakse ühe kvantolekuga – see annab osakestele palju lähedasema suhte, kui seda lubab klassikaline füüsika.
Kiiresti arenevas kvanttehnoloogia valdkonnas on osakeste vahelise põimumise tekitamise võime sageli ülioluline. Üks eriti oluline takerdumise rakendus on "heraldimine", mille puhul ühe osakese tuvastamine takerdunud paaris näitab, et teine osake on kvantahelas kasutamiseks saadaval.
Hübriidpaarid
Põimunud osakesed ei pea olema identsed ning tekkimas on uus klass hübriidseid kvanttehnoloogiaid, mis toetuvad erinevate osakeste – näiteks footonite ja elektronide – põimunud paaridele. Praktiliste viiside väljatöötamine hübriidpaaride sidumiseks on aga endiselt väljakutse.
Feist ja kolleegid on selle probleemiga tegelenud, luues uue eksperimentaalse seadistuse, millel on rõngakujuline optiline mikroresonaator, mis asetatakse fotoonilisele kiibile. Teadlased lõid elektronmikroskoobi abil ka suure energiaga elektronide kiire, mis liigub tangentsiaalselt rõngasse. Rõngast möödudes interakteeruvad elektronid mikroresonaatori kaduva väljaga. Selle tulemusena tekivad rõngas footonid. Ülioluline on see, et kõik need uued footonid on kiires elektroniga takerdunud. Seejärel ekstraheeritakse need footonid rõngast optilise kiu abil.
Nende seadistuse testimiseks kogus Feisti meeskond elektronid ja neile vastavad footonid eraldi detektoritesse ning mõõtis seejärel nende kvantolekute kokkulangevust. Nagu nad lootsid, kinnitas detektor, et elektron-footon paarid olid interaktsiooniprotsessi käigus takerdunud.
Destilleerimismeetod tugevdab kvantpõimumist ühes footonipaaris
Meeskond loodab, et nende tehnika võib inspireerida uuendusi elektronmikroskoopia vallas. Heraldi kaudu võiks see võimaldada teadlastel uurida elektronkiirte ja aatomiskaala proovide vahelist koostoimet, uurides interaktsiooni mõjusid takerdunud footonitele. Neid footoneid oleks palju lihtsam mõõta otse kui elektrone – ja see võib suurendada elektronmikroskoopia tundlikkust ja pildistamisvõimet.
Laiemalt võiks nende lähenemisviis laiendada kvantinfoteaduse tööriistakomplekti, et hõlmata ka vabu elektrone, mis võib avada uusi võimalusi uuendusteks kvantarvutuses ja kommunikatsioonis.
Uuringut kirjeldatakse artiklis teadus.
